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1、光信息技术实验七 光的偏振特性研究 实验 7 光的偏振特性研究 光的干涉衍射现象揭示了光的波动性但是还不能说明光波是纵波还是横波。而光的偏振现象清楚地显示其振动方向与传播方向垂直说明光是横波。1808 年法国物理学家马吕斯 Malus17751812 研究双折射时发现折射的两束光在两个互相垂直的平面上偏振。此后又有布儒斯特Brewster17811868 定律和色偏振等一些新发现。 光的偏振有别于光的其它性质人的感觉器官不能感觉偏振的存在。光的偏振使人们对光的传播规律反射、折射、吸收和散射有了新的认识。本实验通过对偏振光的观察、分析和测量加深对光的偏振基本规律的认识和理解。 偏振光的应用很广泛
2、从立体电影、晶体性质研究到光学计量、光弹、薄膜、光通信、实验应力分析等技术领域都有巧妙的应用。 一、实验目的 1. 观察光的偏振现象了解偏振光的产生方法和检验方法。 2. 了解波片的作用和用 1/4 波片产生椭圆和圆偏振光及其检验方法。 3. 通过布儒斯特角的测定测得玻璃的折射率。 4. 验证马吕斯定律。 二、实验原理 1. 自然光和偏振光 光是一种电磁波电磁波中的电矢量 E 就是光波的振动矢量称作光矢量。通常光源发出的光波其电矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则的取向。在与传播方向垂直的平面内光矢量可能有各种各样的振动状态被称为光的偏振态。光的振动方向和传播方向所组成的平面称为振动面。按
3、照光矢量振动的不同状态通常把光波分为自然光、部分偏振光、线偏振光平面偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光五种形式。 如果光矢量的方向是任意的且在各方向上光矢量大小的时间平均值是相等的这种光称为自然光。自然光通过介质的反射、折射、吸收和散射后光波的电矢量的振动在某个方向具有相对优势而使其分布对传播方向不再对称。具有这种取向特征的光统称为偏振光。 偏振光可分为部分偏振光、线偏振光平面偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。如果光矢量可以采取任何方向但不同方向的振幅不同某一方向振动的振幅最强而与该方向垂直的方向振动最弱这种光为部分偏振光。如果光矢量的振动限于某一固定方向则这种光称为线偏振光或平面偏振光。如果光矢量的大
4、小和方向随时间作有规律的变化且光矢量的末端在垂直于传播方向的平面内的轨迹是椭圆则称为椭圆偏振光如果是圆则称为圆偏振光。 将自然光变成偏振光的过程称为起偏用于起偏的装置称为起偏器鉴别光的偏振状态的过程称为检偏它所使用的装置称为检偏器。实际上起偏器和检偏器是可以通用的。本实验所用的起偏器和检偏器均为分子型薄膜偏振片。 光信息技术实验七 光的偏振特性研究 2 线偏振光的产生 产生线偏振光的方法有反射产生偏振、多次折射产生偏振、双折射产生偏振和选择性吸收产生偏振等。 1 反射产生偏振与布儒斯特定律 当自然光入射到各向同性的两种介质如空气和玻璃分界面时反射光和透射折射光一般为部分偏振光。若改变入射角则反
5、射光的偏振程度也随之改变。设两介质的折射率分别为 1n 和 2n可以证明当入射角为某一特定值 p 21tanpnn 1 时反射光变为线偏振光其振动面垂直于入射面平行于入射面振动的光反射率为零而透射光为部分偏振光如图 1 所示其中“”表示振动面垂直于入射面的线偏振光短线“”表示振动面平行于入射面的线偏振光圆圈和短线的数量表示偏振程度。式 1 称为布儒斯特定律 p 为布儒斯特角或称起偏振角。根据光反射的这一特性就可用调节入射角的方法获得线偏振光也可以通过测量 p 来计算折射率 2n。例如通过测量激光束从空气射向玻璃表面反射时的布儒斯特角 p 可以测定玻璃相对空气的折射率。 2 透射产生偏振 当光波
6、的入射角为布儒斯特角时虽然反射光为线偏振光但反射率很低如空气和玻璃界面反射光强约为入射光强的 8。对折射光而言平行于入射面的振动分量全部透过界面而垂直于入射面的振动分量仅一小部分被反射大部分也透过了界面所以透射光只是偏振化程度不高的部分偏振光。如果自然光以 p 入射到重叠的互相平行的玻璃片堆上则经过多次折射最后从玻璃片堆透射出来的光一般是部分偏振光。如果玻璃片数目足够多时则透射光也变为线偏振光其振动面平行于入射面。 3 晶体双折射产生偏振 当一束光射入各向异性的晶体时产生折射率不同的两束光的现象称为双折射现象。当 图 1 用玻璃片产生反射全偏振光 光信息技术实验七 光的偏振特性研究 光垂直于晶
7、体表面入射而产生双折射现象时如果将晶体绕光的入射方向慢慢转动按原入射方向传播的那一束光方向不变这一束折射光的方向满足折射定律称为寻常光o 光它在介质中传播时各个方向的速度相同。另一束折射光线随着晶体的转动绕前一束光旋转可见此光束不满足折射定律它在各向异性介质内的速度随方向而变称为非寻常光e 光。在一些双折射晶体中有一个或几个方向 o 光和 e 光的传播速度相同这个方向称为晶体的光轴。光线在晶体内沿光轴传播时不发生双折射垂直于光轴传播时 e 光和 o 光沿同一方向传播不再分离但传播速度仍是不同。光轴和光线构成的平面称为主截面。o 光和 e 光都是线偏振光但其振动方向不同。o 光电矢量振动方向垂直
8、于自己的主截面 e 光的电矢量振动方向在自己的主截面内 o 光和 e 光电矢量互相垂直。 利用晶体的双折射现象可以做成复合棱镜使其中一束折射光偏离原来的传播方向而得到线偏振光。实验中采用格兰棱镜做成的偏振器用以产生或检验线偏振光。 4 二向色性产生偏振与偏振片 有些晶体材料对自然光在其内部产生的偏振分量具有选择吸收作用即对一种振动方向的线偏振光吸收强烈而对与这一振动方向垂直的线偏振光吸收较少这种现象称做二向色性。例如电气石天然晶体铝硼硅酸盐仅需约 1mm 的厚度就能将寻常光完全吸收只透过非寻常光即获得线偏振光。 偏振片是人工制造的具有二向色性的膜片。每个偏振片的最易透过电场分量的方向叫做透振方
9、向也称偏振化方向。即当光波穿过它时平行于透振方向振动的光容易透过垂直于透振方向振动的光则被吸收从而获得线偏振光。因此自然光通过偏振片后透射光基本上成为电矢量的振动方向与偏振化方向平行的线偏振光。利用这类材料制成的偏振片可获得较大截面积的偏振光束但由于吸收不完全所得的偏振光只能达到一定的偏振度。实验室常用偏振片得到偏振光。偏振片既可以用作起偏器又可以作为检偏器。 3 马吕斯定律 如果自然光通过起偏器后变成强度为 I0 的线偏振光再通过一个理想检偏器后成为强度为 I 的线偏振光其透射光的强度为 I I0 cos2 2 此式称为马吕斯定律。其中为起偏器与检偏器两个透振方向之间的夹角改变角可以改变透过
10、检偏器的光强。根据马吕斯定律线偏振光透过检偏器的光强随偏振面和检偏器的偏振化方向之间夹角将发生周期性变化。当为 0 或 时透射光强度最大而当为 2 或 32 时透射光强度为零即当检偏器转动一周会出现两次消光现象。如用普通偏振片做检偏器则需引入透射系数 k 式 2 可改为 I kI0 cos2 3 显然当以光的传播方向为轴旋转检偏器时每转 900 透射光强将交替出现极大和消光位置。如果部分偏振光或椭圆偏振光通过检偏器当旋转检偏器时虽然透射光强每隔 900 光信息技术实验七 光的偏振特性研究 也从极大变为极小再由极小变为极大但无消光位置。而圆偏振光通过检偏器当旋转检偏器时透射光强则无变化。 4 椭
11、圆偏振光和圆偏振光的产生 若使线偏振光垂直射入厚度为 d 的晶体中发生双折射现象。设晶体对o 光和 e 光的折射率分别为 0n 和 en 则通过晶体后两束光的光程差为 oennd 4 经过晶体后其位相差为 2oennd 5 其中 是光在真空中的波长。 如果以平行光轴方向为 x 坐标垂直方向为 y 坐标由晶片出射后的 o 光和 e 光的振动可以用两个互相垂直、同频率、有固定位相差的简谐振动方程式表示 sinexAt 6 sinoyAt 7 两式联立消去 t 可得合振动方程 222222cossineoeoxyxyAAAA 8 一般来说此式为椭圆方程合振动矢量的端点轨迹一般是椭圆因此称为椭圆偏振光
12、。决定椭圆形的因素是入射光的振动方向与光轴的夹角 和晶片的厚度 d。但是当 2k k123或 21k k012 9 时式 8变为直线方程 eoAxyA 或 eoAxyA 10 代表两个不同方向振动的线偏振光。而当 212kk012 11 时光程差 oennd214k 12 式 8 成为正椭圆方程。当 o45 时 oeAA 合振动就是圆偏振光。 把双折射晶体沿光轴切割成平行平板平板表面平行于光轴这就是晶片。能使振动互相垂直的两束线偏振光产生一定位相差的晶片叫做波片。选定晶体后对于某一波长的单色光信息技术实验七 光的偏振特性研究 光只取决于波片的厚度。波片是从单轴双折射晶体上平行于光轴方向截下的薄
13、片它可以改变偏振光的偏振态。 1 当 2kk123时光程差 oenndk 或 oekdnn 即这样的晶片能使 o 光和 e 光产生 k 的光程差称为全波片或 波片。此时由式 8 可得直线方程表示合振动为线偏振光与入射线偏振光方向平行。 2 当 21kk012时则光程差 oennd212k。此时晶片的厚度可使o 光和 e 光产生 212k 光程差称为二分之一波片或 2 波片由式 8 得直线方程表示合振动仍为线偏振光但与入射光的振动方向有 2 的夹角。 3 当 2/12kk012时则光程差oennd214k 此时晶片的厚度可是 o 光和 e 光产生 214k 光程差称为四分之一波片或 4 波片由式
14、 8 得到正椭圆方程。表示合振动为正椭圆偏振光。4 波片主要用于产生或检验椭圆偏振光和圆偏振光。对于线偏振光垂直射入 4 波片时且振动方向与波片光轴成角时合成的光偏振状态还有以下几种情况 当 0 时 0oA 可得到振动方向平行于光轴的线偏振光。 当 2 时 0eA 可得到振动方向垂直于光轴的线偏振光。 当 4 时 oeAA 可得到圆偏振光。 当为其它值时eoAA 经 4 波片透出的光为椭圆偏振光。 图 2 偏振光实验仪结构示意 光信息技术实验七 光的偏振特性研究 1 涂黑反射镜 2 旋转载物台 3 玻璃堆 4 白屏 5 半导体激光器及调整架 6 白炽灯 7 旋光管 8 偏振片组 9 半波片 1
15、01/4 波片 11 聚光镜 12 光电接收器 13 检流计数显箱 14 导轨平台 15 二维磁力滑座 16 一维磁力滑座 三、实验仪器 WZP-1 型偏振光实验仪。 1. 仪器简介 WZP-1 型偏振光实验仪由导轨平台、磁力滑座、光源、偏振部件、光电接收单元和聚光镜及白屏观察实验现象组成图 2 为其结构示意图。导轨带有导向凸台并附有标尺实验时根据需要选择部件并将磁力滑座的基准面靠入导轨凸台旋转磁力滑座可进行升降调节使系统达到同轴。 2. 使用方法 在导轨平台上靠近两端各放置光源及光电接收器检流计数显箱后面板有两排插孔上面两孔接插硅光电池旁边的换档开关向上拨到光电池档。先对激光器调焦把接收器换
16、成白屏轻旋激光器上调焦镜观察白屏上光斑最小约 23mm 即可。撤掉白屏换上接收器如图 3。利用激光器调整架调节光束发射角度与二维磁力滑座联调使光信号进入接收器二维滑座为光电接收器专用。在光路中放置一偏振片调到 0轻旋半导体激光头使检流计数值较大半导体激光在水平和垂直两个方向上发散角的差值较大这两方向的光能量也有差别。若用白炽灯作光源可用聚光镜来准直。 四、实验内容与要求 1. 起偏和检偏 如图 4 所示在光源和接收器之间放置偏振片此为起偏器放置另一偏振片为检偏器旋转检偏器观察到光强发生变化。由偏振片转盘刻度值可知当起偏器、检偏器的偏振化方向平行时光最强偏振化方向垂直时光最暗。将检偏器旋转一周光强变化四次两明两暗。固定检偏器旋转起偏器可产生同样的现象。 通过实验我们知道光通过偏振片后成为偏振光偏振片起到了起偏器和检偏器的作用。 2. 验证马吕斯 Malus 定律 依照实验 1 的方法安置仪器使起偏器和检偏器正交记录光电接收的示值
